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Consumo de agua en la producción de acero: procesos, equipos y avances

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n este artículo se entrega un panorama de los procesos y los equipos utilizados en el procesamiento del agua y la influencia del elemento en la operación de las diversas unidades de proceso y en la calidad de semiproductos de colada continua y productos laminados. En recuadros se incluyen ejemplos de una nueva tecnología propuesta para disminuir el consumo de energía en las torres de enfriamiento y un caso de diseño del sistema para una acería eléctrica nueva localizada en una zona desértica.

EL AGUA EN LAS DIVERSAS ETAPAS DEL PROCESO

La disminución del consumo de agua y de la descarga de aguas residuales debe hacerse teniendo en cuenta los requisitos que debe cubrir el agua en las diversas etapas del proceso de fabricación del acero.

El tema de la calidad del agua a menudo es prioritario luego de un problema grave, como podría ser si causa una perforación de línea en una máquina de colada continua de planchones, pero en la rutina operativa diaria tiene baja prioridad, desplazado por las paradas y demoras.

Como se concluyera en el estudio de worldsteel, referido en el N° 550 de esta revista (mayo-junio 2015), hay enormes variaciones en los consumos de agua, que dependen de la configuración de la planta, la localización geográfica (o la disponibilidad de agua) y la legislación local [1]. Se usa una gran cantidad de agua para enfriamiento directo (once-through cooling), particularmente en plantas costeras o ubicadas en las márgenes de ríos caudalosos. En los otros casos, en especial en localizaciones donde el agua

ACTUALIZACIÓN TECNOLÓGICA

Consumo de agua

en la producción de acero:

procesos, equipos y avances

Como parte de la marcha hacia una mayor sustentabilidad de la industria, la tendencia a la disminución del consumo específico de agua y de la descarga de efluentes líquidos en los procesos siderúrgicos se plantea claramente, tanto en los nuevos proyectos como en las modernizaciones de los equipamientos existentes.

Por Jorge Madías, Gerente de empresa Metallon, Argentina

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escasea, se emplean sistemas de enfriamiento con recirculación, que requiere mucho menos suministro o tratamiento de agua.

El estudio de worldsteel se basó en una encuesta en la que participaron 29 plantas, representando 111 Mt/

año (27 laminadores, 33 máquinas de colada continua y 17 coquerías), plantas de sínter, altos hornos y acerías al oxígeno. En la FIGURA 1 se presentan los consumos y descargas de cada etapa del proceso [2].

Coquería. Se utiliza agua para enfriar y limpiar el gas de coquería y para el apagado del coque incandescente luego de, principalmente, extraerlo del horno. De acuerdo a la mencionada encuesta de worldsteel, la cifra de consumo promedio para 17 coquerías es de 4,5 m3/t de coque. El 35% se utiliza para el apagado del coque, el 30% para la limpieza del gas de coquería y el resto para otros usos [2].

Alto horno. Se trata de la unidad que más agua consume y descarga (FIGURA 1). El agua se utiliza mayoritariamente para el enfriamiento del crisol, refrigeración de las duelas

y toberas y limpieza / enfriamiento del gas de tope. El mayor consumo se origina en el enfriamiento del crisol.

El 62% del agua que ingresa al alto horno es para enfriamiento directo.

Solo el 12% del agua total es para enfriamiento por circulación. El 21%

del agua se consume en la limpieza del gas de tope [2].

Acería al oxígeno. El agua se utiliza para la refrigeración de la lanza de oxígeno, la salida de gases de los convertidores, el enfriamiento del cono y muñones y el enfriamiento de los gases. Los programas para el tratamiento del agua de enfriamiento, el agua de los scrubbers, las aguas residuales y la extracción de agua de los barros pueden ser útiles para: [3]

• Prolongar la vida del horno.

• Aumentar la vida de la campana.

• Extender la vida de la lanza de oxígeno.

• Reducir el costo de mantenimiento y el consumo de energía de los scrubbers.

• Reducir la limpieza de cañerías.

• Reducir las paradas del horno.

• Disminuir la contaminación ambiental.

La formación de óxidos y los problemas de corrosión en estas áreas pueden generar paradas, una mayor necesidad de mantenimiento para eliminarlos y pérdida de producción. En las plantas que practican el salpicado de escoria (slag splashing) para prolongar la vida del revestimiento del convertidor, hay necesidad de bajar los requerimientos de mantenimiento asociado con la campana de salida de gases y el enfriamiento de los gases, extendiendo el tiempo entre reparaciones y limpiezas.

Horno eléctrico. Como en la acería al oxígeno, se requiere agua para la refrigeración del sistema de salida de gases. Sin embargo, el tratamiento de los gases se hace en seco, a diferencia de la mayoría de los convertidores, donde se hace en húmedo. Se refrigeran también los paneles que constituyen la parte superior de la carcasa del horno, la bóveda del horno y el anillo alrededor de los electrodos, los electrodos mismos, los brazos porta electrodos y otros componentes eléctricos [4].

FIGURA 1. Consumos y descargas de agua para cada etapa del proceso siderúrgico [2]

4,5

Coquería 0

2 4 6

0,4 Sinterización

0,8

Peletización 5,7

Alto horno

1

Convertidores 2,5

Colada Consumo promedio

5

Laminación en caliente

4,6

Laminación en frío

3,6

Terminado 3,3

Horno elécrtrico

0,7

Briqueteado Descarga promedio

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Colada continua. El agua se utiliza para el enfriamiento del molde de cobre (enfriamiento primario) y el enfriamiento por rociado de los semiproductos (enfriamiento secundario). En las máquinas de colada continua de planchones y de tochos de grandes dimensiones también se utiliza para el

enfriamiento de rodillos y segmentos.

La refrigeración de agitadores y frenos electromagnéticos también la requiere.

Los programas para el agua de enfriamiento primario y secundario pueden asistir en proveer [3]:

• Mayor vida del molde de cobre.

• Menor bloqueo de boquillas de enfriamiento secundario.

• Paradas más cortas y menor mantenimiento.

• Menos defectos y mejor calidad de los semiproductos.

• Más vida de rodillos y segmentos (en máquina de planchones).

• Menos perforaciones.

• Mejor confiabilidad y productividad de la máquina.

• Menor corrosión de la cámara de enfriamiento secundario.

Es en la colada continua donde la incidencia de la condición del agua es más crítica para la calidad de los productos. Es bien conocida la influencia del agua de molde en defectos como la romboidicidad en palanquillas [5] o grietas longitudinales en planchones convencionales [3] o delgados [6] o del agua de enfriamiento secundario en la formación de grietas superficiales [7]. Los depósitos de sólidos en suspensión sobre el lado agua de los moldes de cobre (FIGURA 2) tienen una influencia muy grande sobre la transferencia de calor del acero al agua.

Laminación en caliente. En este caso el agua se utiliza para la extracción de laminillo, la refrigeración de los cilindros de laminación y el enfriamiento de los productos. En los laminadores de productos planos, se ocupa luego de la laminación y antes del bobinado del enfriamiento de la chapa mediante lluvia de agua.

FIGURA 2. Depósito de minerales (A), hidrocarburos (B) y hierro (C) en la cara fría moldes de cobre para colada continua de planchones delgados [6]

Para la recirculación del agua dentro de los procesos siderúrgicos se utilizan torres de enfriamiento.

La operación de estas torres requiere el consumo masivo de energía eléctrica para propulsar los ventiladores que fuerzan el aire hacia las cañerías por las que circula el agua caliente. El 80% del costo operativo de las torres es la energía eléctrica que se consume;

el 15% está constituido por gastos de mantenimiento y agua y el 5% por los productos químicos necesarios [13].

Una de las tecnologías que se han propuesto para disminuir el consumo de energía son las torres de enfriamiento con ventiladores propulsados con turbinas de agua (FIGURA A).

En la turbina se puede consumir el exceso de energía de bombeo y la energía de elevación (FIGURA B).

En el CUADRO A se presenta una comparación entre ambos tipos de turbina, desde diversos puntos de vista.

DISMINUCIÓN DEL

CONSUMO DE ENERGÍA EN EL ENFRIAMIENTO DE AGUA

A

B C

(4)

CUADRO A. Comparación entre torre de enfriamiento a turbina y a motor [13]

Aspecto

Consumo de electricidad Consumo de agua Mantenimiento Durabilidad Efectividad Seguridad Medio ambiente Deriva Ruido

Turbina de agua No aplica

Agregado poco frecuente

Relativamente bajo (rodamiento solamente) Prolongada

Buena

Seguro, sin riesgos No influye 0,05%

< 75 dB

Motor eléctrico

4-6 kWh por 100 t de agua Agregado frecuente

Alto (rodamiento, reductor, eje, motor y bobinado) Requiere mantenimiento frecuente

Buena

Puede haber corto circuito o explosión Emisión de ruido y generación de vibraciones 0,2%

> 85 Db

FIGURA A. A: torre de enfriamiento convencional, con ventilador movido por motor eléctrico. B: torre de enfriamiento con motor movido por turbina [13]

FIGURA B. Principios de operación de torre de enfriamiento con turbina [12]

Motor eléctrico

A B

Reductor

Reductor

Acople

Energía de elevación

Bombeo

Intercambiador de calor Intercambiador de calor Energía de bombeo sobrante Energía cinética

(5)

Se trata de una planta para la producción de 1,5 Mt anuales, en una región desértica que tiene una gran amplitud térmica (-16°C a +45°C). Siguiendo un criterio tradicional de diseño de la planta de agua, se requeriría un consumo de más de 650 m3/h de agua, como valor de horario pico (500 m3/h de promedio diario). El agua disponible era en este caso de hasta un máximo de 250 m3/h y en promedio diario de 180 m3/h, lo que hizo necesario buscar una solución diferente [15].

La planta de tratamiento de agua debe proveer a los sistemas de enfriamiento con una adecuada cantidad y calidad de agua. El agua que circula en los circuitos de enfriamiento debe respetar ciertos límites de temperatura y composición, para evitar problemas de depósitos y/o corrosión.

Después de usarla se la enfría antes de su reutilización en el mismo circuito. El agua proveniente de circuitos directos se trata primero para retener partículas sólidas. Se identifica para cada planta la fuente de agua (río, pozo, cañería). El tratamiento depende de la calidad del agua y en la mayoría de los casos apunta a reducir el contenido de sales, disminuir la dureza y ajustar el pH. En las aplicaciones más modernas se usa la osmosis inversa para reducir la salinidad.

Hay que producir suficiente agua tratada como para compensar las pérdidas por evaporación y otras.

Además, las características del agua dentro de los circuitos de enfriamiento se mejoran mediante aditivos químicos.

CASO DE UNA NUEVA ACERÍA ELÉCTRICA EN UNA REGIÓN DESÉRTICA

La acería de Ferriere Nord dispone de un horno eléctrico de 150 t, uno de los dos mayores de Italia. Junto con la contrucción de este horno, en lugar de los tradicionales sistemas evaporativos se instaló un circuito cerrado presurizado de enfriamiento que permitió minimizar el consumo de agua y prolongar significativamente la vida del ducto de salida [14].

DISMINUCIÓN DEL CONSUMO DE AGUA EN HORNO ELÉCTRICO

Este enfriamiento es clave para obtener la microestructura deseada y la homogeneidad de propiedades a lo largo y ancho de la chapa. En los laminadores de productos largos, para el enfriamiento de barras y alambrón se utilizan cajas de agua.

Una utilización particular de las cajas de agua es para el temple y autorrevenido en línea de barras de refuerzo de hormigón.

El manejo correcto del agua sirve para prolongar la vida del equipamiento y de los cilindros de laminación y permite controlar la microestructura y propiedades mecánicas de los productos laminados.

El agua rociada directamente sobre la superficie de los cilindros de laminación y productos de acero se denomina típicamente agua de enfriamiento directo, porque entra en contacto con el producto. Por eso, después del uso está contaminada con laminillo y con aceite. El agua de enfriamiento indirecto es la que fluye por circuitos de caños y superficies de intercambio de calor, usada para el enfriamiento en el horno de precalentamiento y en las cajas de laminación, sin contacto con el producto de acero. Usualmente sale más limpia que el agua de enfriamiento directo y se trata en un circuito independiente y separado en la planta de tratamiento de agua [8].

PROCESOS Y EQUIPOS

El ciclo del agua de una siderúrgica, como de otro tipo de plantas industriales, está determinado por el flujo de operaciones del ciclo de producción, el tratamiento químico del agua y los residuos del proceso.

En consecuencia, los procesos son [9]:

• Producción de agua de proceso:

el agua que ingresa a la planta se trata para obtener agua industrial y agua ablandada/desmineralizada.

Los procesos aplicados son la clarificación/floculación, la filtración, la desalinización (para el caso de uso de agua de mar), y el ablandamiento/desmineralización por medio de sistemas de intercambio iónico.

• Uso del agua de proceso: el agua industrial y el agua ablandada/

desmineralizada se usan para la operación de las unidades de proceso (coquería, alto horno, acería, colada continua, laminación).

• Tratamiento de los efluentes líquidos: las aguas usadas en o descargadas de los procesos se tratan para cumplir con los límites legales estipulados para los sistemas que las reciben.

Los procesos utilizados para ese propósito son la remoción de aceites, neutralización,

clarificación, floculación, filtración y oxidación biológica.

(6)

La planta en cuestión requería enfriamiento para los siguientes usuarios: horno eléctrico de arco de 170 t;

horno cuchara de 170 t; máquina de colada continua de seis líneas; planta de oxígeno; planta de tratamiento de humos; y otros usuarios (estación de aire comprimido, compensador estático de energía reactiva).

Las soluciones se buscaron por dos caminos:

1. Selección del equipo apropiado para el enfriamiento del agua.

2. Recuperación de las descargas de la planta de tratamiento de agua para reutilización en la misma planta luego de un tratamiento adecuado.

FIGURA B. Comparación entre torres convencionales, híbridas y secas, con respecto al consumo específico de agua, el costo de inversión y la energía eléctrica instalada

Los equipos alternativos a la torre de enfriamiento evaporativo convencional son los llamados híbridos y secos (FIGURA A). Ambos operan con circuito cerrado, impidiendo las pérdidas. En las torres secas el intercambio de calor se debe a la circulación de aire forzado, con el consiguiente consumo de electricidad.

Las torres híbridas operan en modo seco o húmedo, dependiendo de las condiciones climáticas.

En la FIGURA B se comparan los tres tipos de torre en lo que respecta al consumo de agua, costo de inversión y energía eléctrica instalada.

La decisión que se tomó fue instalar una torre seca para la planta de tratamiento de humos, y torres híbridas para el resto de los equipos. La planta de tratamiento de humos tenía una exigencia menor respecto a la temperatura máxima del agua, con respecto al resto de los usuarios.

En conclusión, se adoptaron equipos de enfriamiento con un bajo consumo de agua, y el reciclado interno de las aguas tratadas. Esto fue a costa de una inversión más alta y un consumo de energía eléctrica más elevado.

La solución resultó finalmente de interés económico, especialmente gracias a los ahorros en acondicionamiento químico del agua.

FIGURA A. Ejemplos de torre de enfriamiento seco (izquierda) y torre de enfriamiento híbrido (derecha)

Aire

Aire Agua Salida de aire

Salida de aire

Rociado de agua de enfr.

Tanque de agua

Drenaje Agua fría

a los usuarios

Agua fría a los usuarios Agua caliente a los usuarios

Agua caliente de los usuarios

% respecto al evaporativo Factor multiplicador respecto al evaporativo

Consumo de agua Costo de inversión

Evaporativo Híbrido Seco

25

1 5 10

50 75 100

Potencia instalada

(7)

[1] “Holistic approach to water policies needed, says worldsteel”. April 16, 2015.

[2] Suvio, P.; van Hoorn, A.; Szabo, M.; Ekdahl, A.; “Water management for sustainable steel industry”. Ironmaking and Steelmaking 2012, Vol. 39, N° 4, pp. 263-269.

[3] Jenner, P.; Ravindra; “The critical role of water treatment and water quality management in the steelmaking process”. SEAISI Quarterly Journal 2011, Vol. 40, N° 3, pp. 43-51.

[4] Gleason, J.; Lee, D.; “Establishing peak electric cooling water performance”.

[5] Madías, J.; “A review of the rhomboidity problem in billet casting”. AISTech 2012 Proceedings, pp. 1241-1250.

[6] Strasser, J.S.; Hatcher, J.L.; “Implementation of high- heat-flux mold water treatment program delivers improvements to thin-slab caster product quality, production rate and maintenance costs”. Iron & Steel Technology, July 2012, pp. 48-66.

[7] Hernandez, V.; Kumar, S.; Hardcastle, S.; “Knowledge- based approach to enhance performance of cooling water systemin continuous casting and hot rolling operations”. AISTech 2011 Proceedings, Vol. I, pp. 1739- 1751.

REFERENCIAS

[8] Cattarino, S.; Colautti, M.; Mansutti, S.; “The importance of the water treatment plant for the performances of a rolling mill”. AISTech 2014 Proceedings, pp. 2569-2580.

[9] Nardella, A.; “Advanced design of water treatment plant with ‘zero liquid discharge’ recovery system”. MPT International 1/2015, pp. 34-39.

[10] Chumienski, H.; da Silva, R.J.; “Reduce operating costs through water management”. 5th ABM Steelmaking Seminar, May 2014, Porto Alegre, Brazil, pp. 1-9.

[11] Allhands, M.N.; “Unique filter design for heavy industry cooling water”. AISTech 2013 Proceedings, pp. 99-107.

[12] Golm, H.; Hundrieser, J.; “New methods of monitoring cooling water circuits”. MPT International 4/2008, pp.

74-75.

[13] Lai, B.Ch.; “New energy saving technology - An innovative green approach for cooling water system in steel industry”. SEAISI Conference & Exhibition, DusitThaniPattaya, Thailand, June 2013, pp. 1-8.

[14] Ravagnan, G.; comunicación privado, junio de 2015.

[15] Cattarino, S.; Colautti, M.; Mansutti, S.; “Efforts to reduce cooling water consumption in a region with limited water supply”. MPT 2013, pp. 54-58.

Para llevar a cabo estos procesos, se utilizan entre otros [10]:

• Tomas de agua. Sus características dependen de si se utiliza agua de río, lago, mar o pozo.

• Desarenadores, en caso del ingreso de agua con arena en suspensión, para impedir que esta dañe las bombas.

• Cámaras de mezcla. En ellas se agrega al agua productos químicos. Los principales son los coagulantes (sulfato de alúmina) y alcalinizantes (cal).

• Decantadores. El agua suele llegar con cierta velocidad a una pileta amplia donde se reposa, permitiendo que se depositen

las impurezas en el fondo. Para acelerar esta operación, se agregan coagulantes que atrapan las impurezas formando coágulos pesados.

• Filtros. Pueden tener diversas características en función de las necesidades [11].

• Torres de enfriamiento, para extraer el calor del agua que se calentó cumpliendo una función de refrigeración de alguna instalación, y dejarla con la temperatura adecuada para su reutilización.

• Clarificadores, para extraer del agua los sólidos en suspensión, aceites y grasas.

• Espesadores, para el manejo de barros.

• Equipos de osmosis inversa.

• Equipos de intercambio iónico.

• Sistemas de monitoreo continuo de variables [12].

CONCLUSIONES

El concepto de la utilización de agua en la producción de acero ha ido cambiando, desde considerarlo como un insumo de bajo costo e inagotable, hasta la situación actual en que se procura minimizar dicho consumo y la descarga de aguas residuales. Esto se tiene en cuenta tanto para el diseño de nuevas plantas como para la mejora de las plantas existentes. De esta forma se aporta a la sustentabilidad de la industria. ••

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